Malzeme özellikleri düşünüldüğünde bütün termal püskürtme metal kaplamaların genel korozyon oranları düşüktür ve bu oran 2.5-10 µm/yıl’dır. Alüminyum için 3.3 µm/yıl, % 85/15 Zn-Al için ise 7.8 µm/yıl’dır. Korozyona karşı koruyucu kaplaması olmayan çeliğin korozyon oranı ise yılda 102-254 µm’dir.Bu sonuçlardan yola çıkarak 20 yıl servis ömrü olan kaplama için 300 µm kalınlıkta olması gerektiği görülmektedir
Tablo 6.1. Kaplama kalınlığı ve 20 ila 40 yıl arasında değişen kullanım ömürleri[39]
Çevre Kaplama Kalınlık
µm
Polimer Son Kaplama Atmosferik
Kırsal Zn veya Zn-Al 150-200 Hayır
Endüstriyel Zn veya Zn-Al 305-380 Evet Deniz atmosferi Al veya Zn-Al 305-380 Hayır
Daldırma Uygulamaları
Tatlı su Zn-Al 305-380 Evet
Hafif tuzlu su Al 305-380 Hayır
Deniz suyu Al 305-380 Hayır
Değişimli ıslak-kuru
Tatlı su Zn-Al 250-305 Evet
Deniz suyu Al 305-380 Evet
Maliyet açısından değerlendirildiğinde termal metal püskürtme prosesi diğer kaplama sistemlerine üstünlük sağlamaktadırlar. Yine aynı çalışmada 255 µm
kalınlığındaki Zn ve Zn-Al alaşımı için belirtilen servis süresi 15 yıl olup polimer son kaplama kullanıldığında bu süre 25 yıla çıkmaktadır.[39]
6.2.1. Zn kaplamalar ve özellikleri
Metalik çinko kaplama yöntemi, çelik yapıların korozyona karşı korunmasında iyi bilinen bir yöntemdir. Çinko düşük asidik atmosfer koşullarında korozyona karşı dayanımı çok iyidir(pH 5-12). EAP çinko kaplamanın, çelik köprülerin, gaz tüplerinin ve dökme demir boruların kaplanması gibi bir çok endüstriyel uygulaması da vardır[16] Şekil.1’ de Zn ve Al için pH değerleri ile korozyon oranları arasındaki ilişki gösterilmektedir. Şekil.2’de çinko kaplanmış dökme demir borular ve şekil.3’ de bu boruların tel ark püskürtme prosesi ile çinko kaplanması gösteriliyor. Çinko 60°C üzerindeki uygulamalarda kullanılmaz.[40]
Şekil 6.1. Zn ve Al için pH değeri ile korozyon oranı grafiği[22]
(a) (b)
Çinkonun, demir esaslı yapıları korozyondan korumaya yönelik kaplama oluşturulmasında çok elverişli bir yapısı vardır. Mükemmel bir korozyon dayanımına sahiptir. Uygulandığı birçok malzemede, zorlu atmosfer şartlarında bile başarılı bir koruma göstermektedir. Çinko kaplamaların performansı yoğunluğuna, kaplama kalınlığına ve çevresel şartlara bağlı olmak üzere demir esaslı malzemelere göre 10 ila 100 kez düşük korozyon oranlarına sahiptir. Çinko kaplama yüzeyi reaktif olduğundan oksitleyici ortamda hızlı bir şekilde yüzeyde korozyon filmi oluşturur ve pasifleşerek korozyon hızını düşürür.
Ayrıca çelik ile çevre arasında oluşan bu bariyer, yani çinko kaplama tabakası ana metali katodik olarak da korur. Bunun anlamı çinko demire göre daha aktif olup tercihli olarak korozyona uğramaktadır.
Kaplama tabakasında meydana gelen küçük süreksizlikler veya kaplamanın zarar görmesi durumunda, demir esaslı altlık malzeme korunmasız kalabilir. Bu durumda çinko çelikten daha reaktif olduğundan hızlı bir şekilde korozyon koruyucu bir film tabakası oluşturup meydana gelen boşluk ve süreksizlikleri kapatarak çeliği tekrar korozyona karşı korumaya devam eder. Eğer ortam hava atmosferi ise Zn, çinko oksite (ZnO)’e, nemli bir atmosfer ise çinko hidroksite, yanmalı bir proses boyunca karbondioksit ile reaksiyona girerek çözünmez bir çinko karbonat tabakası meydana getirip altlık malzemenin korozyona uğramasını engeller ve böylece mükemmel bir koruma sağlar[40].
6.2.2. Al kaplamalar ve özellikleri
Metalik alüminyum kaplamalar korozyon koruyucu olarak kıyı şartlarında, doğal su içindeki uygulamalarda ve gıda alanında kullanılırlar. Alüminyum asidik ortam çözeltilerine dayanıklıdır.(pH 2-10).
Alüminyum, düşük elektrokimyasal aktivitesi ve tercihli oksit filmi formasyonu ile çelik bir altlığa düşük bir katodik koruma sağlar. Elektriksel iletkenliği ve belirli bir pH’a sahip olan deniz suları alüminyumun korozyon film oluşturmasına katkıda bulunurlar. Deniz suyunun oldukça yüksek elektrik iletkenliğine bağlı olarak, deniz
suyu içindeki uygulamalarda termal sprey alüminyum kaplama önerilir. Aynı ortamlarda deniz suyunun elektrik iletkenliğinden dolayı çinko kaplamanın çelik ile olan galvanik etkisi yüksek olması nedeniyle çinkonun korozyon hızı yüksek olup tüketim oranı da su içi uygulamalarda fazla olmaktadır. Özellikle yoğun klorlu ortamlarda Al’da çinko gibi çeliği katodik olarak korur[42].
6.2.3. Zn/Al 85/15 kaplamalar ve özellikleri
Tel formundaki ağırlıkça 85/15 Zn/Al alaşımı Belçika’ da Duno isminde bir kişi tarafından bulunmuştur. Bu telin kullanılmasıyla Zn ve Al’ nin davranışları araştırılmaya başlanılmış. 1966’ da Fransa Elektrik Araştırma Departmanı’ nın yayınladığı bir makalede 85/15 bileşiminde Zn-Al alaşımının 33 aylık korozyon davranışı incelenmiş. Ayrıca alüminyum ve çinkonun farklı kombinasyonları için incelenen korozyon davranışları, Zn’ nin korozyon potansiyelinin demirinkinden daha yüksek olduğunu göstermiştir. Bu anodik reaksiyonlar kurban anot koruması sağlamakta olduğu tespit edilmiş, alüminyumun da inert bir kaplama gibi davrandığı görülmüş. Daha sonra alüminyumun ağırlık oranı arttırılarak yapılmış araştırmalar ( bu artış %15’ den 28’e, 28’ den 50’ ye kadar) alaşımdaki alüminyum oranının %28’e kadar arttırılması durumunda aynı şekilde 85/15 deki alaşım davranışını sergilemiş fakat % 28’den sonra çinkonun katodik koruma özelliğini yitirdiği görülmüş. Böylece artan alüminyum oranı ile kaplama, saf alüminyum formundaki bir kaplama gibi davranmış. Basitçe %28 Al oranından fazla olan Zn/Al kaplamalar saf alüminyum kaplama gibi davranırlar. 85/15 Zn/Al ile ilgili yapılan araştırmalar iki fazın keşfine öncü olmuş, hatta çoğunluğu küçük çinko tanecikleri ile çevrilmiş, uzama gösteren alüminyum partikülleri içeren bir kaplama yapısı verdiği görülmüştür
.
Bu yapısal bakış noktasından; 85/15 Zn/Al alaşım kaplamalar, kenarları Zn ile sarılmış ve alüminyum takviye edilmiş bir çinko kaplama gibi davrandıkları görülmüş. Ayrıca elektrokimyasal analizden sonra iki bileşikten herbirinin elektrokimyasal özelliğini gösteren bir iki faz kombinasyonu olduğu sonucuna varılmış.
1965’de CEFRAOOR, Fransa Anti-Korozyon Merkezi 85/15 Zn/Al bileşiminin, atmosferik ve sualtı şartlarında boya son kaplamalar ile on yıllık bir test sonucu yayınlamıştır. Bu çalışmaya göre;
a. Bu alaşım porlara sahip olup bu porları hızlı dolduran doğal bir son kaplamadır. b. Çinkonun yavaş çözündüğü, koruma süresi artan, alüminyum esaslı bir yapı meydana
getirir.(çinkonun yenimi bittiği zaman)
c. Yapılan testler SO2 ve Cl içeren ortamlarda mükemmel bir korozyon direnci olduğunu göstermektedir. [40]
Tablo 6.2 Termal sprey metal kaplamada korozyona karşı kullanılan anot malzemelerin özellikleri[39]
Metal Alaşımı Özellikleri
% 99.9 saf Zn
Mükemmel katodik koruma özelliği, alüminyumdan daha sert, kalınlığı ile ömrü orantılı, asidik ve yüksek sıcaklıklar için uygun değil
% 99.0 saf Al
Düşük korozyon oranı, deniz suyunda mükemmel kullanım, yüksek sıcaklık dayanımı, hafif, asidik ortam dayanımı
% 85/15 Zn-Al Alüminyumdan daha sert, atmosferik ortamda alüminyum ve çinkoda daha iyi performans özelliği
BÖLÜM 7. Deneysel Çalışmalar
Bu çalışmada ticari olarak üretilmiş, Zn+polimer (bitüm) kaplamalı, Zn/Al 85/15+polimer (mavi epoksi) kaplamalı düktil demir boruların korozyon performansları tuz püskürtme testi ile karşılaştırılması amaçlanmıştır. Tuz püskürtme deneyi öncesi Zn/Al 85/15 kaplama telinden mevcut fazların incelenmesi ve belirlenmesi için numune alınarak metalografik işlemlerin ardından optik mikroskop, SEM ve EDS analizi yapılmıştır. Bu işlemi takiben Zn/Al 85/15 kaplama telinin faz tayini için 150 gr’lık tel numunesi azot atmosferinde elektrikli bir fırında ergitilerek dökümü yapılmış olup, optik mikroskop ve SEM incelemeleriyle beraber EDS analizi yapılmıştır. Tuz Püskürtme Korozyon Deneyi öncesi numuneler, önceden ticari olarak üretilmiş ve iki farklı kaplama yapılmış (Zn+bitüm ve Zn/Al 85/15+mavi epoksi) boru malzemelerden boyutları 9x6x6, 9x6x4 olacak şekilde hazırlanmıştır.
7.1. Deney Numuneleri
Deneysel çalışmalarda kullanılan deney numuneleri; ticari olarak üretilmiş Zn ve Zn/Al 85/15 kaplanmış ve bu kaplamaların üzerine birinde siyah bitüm ile diğer boruda mavi epoksi polimer kaplama uygulanmış iki boru malzemeden kesilmiştir. Tuz püskürtme testinde kullanılacak numunelerin boyutları, bu iki boru malzemesinden 9x6x6 ve 9x6x4 olacak şekilde 24 adet numune kesilmiştir. Bu 24 numunenin 10 tanesi Zn ve bitüm kaplamalı boru malzemeden kesilmiş olup, 12 tanesi Zn/Al 85/15 ve mavi epoksi kaplamalı boru malzemesinden kesilmiştir. Zn+bitüm kaplı boru malzemesinden kesilen 10 numunenin 4 tanesinde bitüm kaldırılmış, sadece Zn kaplama yüzeyi bırakılmış olup Zn/Al 85/15+mavi epoksi kaplı boru malzemesinden kesilen numunelerin 6 tanesinde polimer kaplama mavi epoksi kaldırılmıştır. Bunun yapılmasındaki amaç kullanılan üst polimer kaplamaların korozyon koruyuculuk özelliğinin olup olmadığını tespit etmek içindir.
Bunlara ilave olarak iki farklı boru numunesi daha alınıp yüzeyindeki bütün kaplamalar kaldırılarak ısıl işlem uygulanmış ve yüzeylerinde oksit tabakaları oluşturulmuştur. Tuz Püskürtme Testi öncesi kesilen deney numuneleri daha önce kullanılmış malzemeler kesilmiş olduğu için yüzeylerindeki kir ve pastan arındırmak için alkali temizleme yapılmış olup sonra yağdan arındırmak içinde selülozik tiner ile yüzey temizliği yapılmıştır. Bu ön temizleme işlemlerinden sonra deney numunelerinin yüzeyleri tungsten karbür uç ile 5 cm uzunluğunda ve 1 mm genişliğinde çizilerek kenarları parafin ile kaplanmıştır.
Şekil 7.1 Boru malzemelerden kesilen deney numuneleri
Tablo 7.1. Tuz Püskürtme Korozyon Deneyi için hazırlanan numune sayısı ve yüzey profillleri
Numune Yüzey Profili ve Sayısı Kaplama Cinsi Altlığa ulaşan çizik Sadece kaplama yüzeyindeki çizik Yüzeyi Çizilmemiş 85/15 Zn/Al+Mavi Epoksi Kaplamalı 3 3 Yok 85/15 Zn/Al Kaplamalı 2 2 2
Zn+Bitüm Kaplamalı 3 3 Yok
Zn Kaplamalı 1 1 2
Yüzey Oksitli 1 Yok 1
Ayrıca mikroyapısal faz analizi yapmak amaçlı Zn/Al 85/15 kaplama tel malzemesinden bir numune kesilerek yapısına bakılmıştır. Bunun yanında Zn/Al
85/15 tel malzemesinden 150 gr’lık numune alınarak fırında ergitilip kokil kalıba dökülmüştür. Böylelikle bu alaşımda bulunan döküm yapısı fazlarının tayini yapılmıştır.
Şekil 7.2. Yapısı incelenmiş olan 85/15 Zn/Al alaşımı ark püskürtme kaplama teli
7.2. Tuz Püskürtme Korozyon Test Kabini
Boya ve kaplamaların ve çeşitli endüstriyel malzemelerin korozyon performanslarının belirlenmesinde kullanılan bir cihazdır. Bu çalışmada hazırlanan numunelerin korozyon performanslarının ölçülmesinde ve birbiri ile kıyaslanmasında Sakarya Üniversitesi, Metalurji Mühendisliği Bölümü, Plazma Kaplama Laboratuarı’ndaki ANGELANTONI marka DCTC 600 P WETTING model tuz püskürtme korozyon test cihazı kullanılmıştır (Şekil). Bu korozyon deneyi ASTM B-117 standardına göre yapılmış olup numuneler cihaz içinde 300 saat boyunca bırakılmışlar ve bu zaman zarfı süresince numuneler kabin içindeki korozif atmosfere maruz bırakılmışlardır. Kabin içi korozif atmosfer deiyonize su ile ağırlıkça %5’lik NaCl çözeltisinin kabin içine püskürtülmesi ile sağlanmıştır. Kabin içi sıcaklığı ASTM B 117 standardına göre 35°C’de sabit tutulmuş olup kabin içinde bir sis bulutu meydana gelmiştir. Burada amaçlanan yoğun bir korozif ortam olan deniz atmosferine benzetmektir.
Şekil 7.3. Tuz Püskürtme Korozyon Deneyi Test Kabini
7.3. Mikroyapısal Çalışmalar
Tuz püskürtme testinde kullanılacak kaplama numunelerinin (Zn, Zn/Al 85/15) ve Zn/Al 85/15 kaplama tel malzemesi ile döküm yapısının optik mikroskop incelemeleri, Sakarya Üniversitesi SEM laboratuarında bulunan“Nikon Eclipse L 150” marka cihaz ile yapılmıştır. Bu çalışmanın ardından SEM ve XRD çalışmaları “JEOL JSM6060 LV” marka cihazla yapılmıştır
7.4. Deney Prosedürü
7.4.1. Numune hazırlama
Bu çalışmada kullanılacak deney numuneleri, ticari bir firma tarafından üretilmiş Zn+bitüm ve 85/15 Zn/Al+mavi epoksi kaplama uygulanmış düktil demir boru malzemelerinden hazırlanmıştır. Numune hazırlanışı ASTM B-117 standardına uygun şekilde yapılmış olup boru malzemeden boyutları 9x6x6 ve 9x6x4 olacak şekilde numuneler kesilmiştir. Boru malzemelerinden hazırlanan numune sayısı 24 adettir.
7.4.2. Metalografik Çalışmalar
Bu çalışmada kullanılan Zn+bitüm kaplanmış , 85/15 Zn/Al+mavi epoksi, oksitli üç farklı malzemeden metalografik çalışmalar için Tuz Püskürtme Korozyon Deneyi öncesi, 240-400-600-1000 ölçülerde zımparalar ile zımparalama ve bu işlemi takiben 6-3-1 µm’lik elmas pastalar ile parlatma yapılarak numuneler hazırlanmıştır.
Tuz Püskürtme Korozyon deneyi öncesi fazların belirlenmesi, yapıların analizi ve korozyon ürünlerinin tespiti için SEM, EDS ve XRD çalışmaları yapılmıştır.
7.4.3. Tuz Püskürtme Korozyon Testi
Bu çalışmada Zn, 85/15 Zn/Al ve yüzey oksidin korozyon direngenliklerinin tespiti için Tuz Püskürtme Korozyon Testi uygulanmıştır. Bu testi ASTM B-117 standardına göre uygulanmıştır. Hazırlanan numunelerden Zn kaplama uygulanmış olanların 4 tanesinden üst bitüm kaplama tabakası kaldırılmış, 85/15 Zn/Al kaplama uygulanmış olan numunelerden 6 tanesinden de üst kaplama mavi epoksi polimer kaplama kaldırılmıştır. Böylelikle numuneler 6 tane Zn+bitüm, 4 tane Zn, 6 tane 85/15 Zn/Al+mavi epoksi, 6 tane 85/15 Zn/Al kaplamalı ve 2 tane de yüzey oksit filmi oluşturulmuş numuneler olarak hazırlanmıştır. Bu kaplamaların korozyon dayanımını ölçmek ve kırmızı pas oluşumunu gözlemlemek amacıyla 4 numune hariç, yüzeyler tungstenkarbür uç ile ASTM standardına göre uzunluğu 5 cm ve genişliği 1 mm olacak şekilde çizilmiştir. Daha sonra mevcut 24 numunenin ağırlıkları ölçülmüştür. Bu işlem sonrası yüzey kaplamaları haricindeki kısımlar parafin ile kapatılıp uçlarına açılan delikler ile test kabini içerindeki tahta tutacaklara asılmıştır. Tuz Püskürtme Korozyon Test’i için %99,9’luk NaCl ile iletkenliği 9-11 µS (mikrosiemens) arasında olan deiyonize su içinde %5’lik (ağırlıkça) çözelti hazırlanmıştır. Bu çözeltinin pH’ı ölçülerek 6.9 olarak belirlenmiştir. Test öncesi ölçülen su iletkenliği ve pH değeri ASTM B-117 standardına uygun olmaktadır. Deney koşulları da ASTM B-117 standardına göre, kabin sıcaklığı 35ºC ve ısı pompasının sıcaklığı da 48ºC olacak şekilde ayarlanmıştır. Deney süresi 300 saat olarak belirlenerek100, 200 ve 300 saatlerde numunelerin kontrolleri yapılmıştır.